立管涡激振动的离散涡数值模拟.pdf

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1、第25卷第1期中国海洋平台V01．25No．12010年2月CHINA0FFSHOREPLATF()RMFeb．，2010文章编号：1001—4500(2010)01—0026一06O立管涡激振动的离散涡数值模拟陈(1．大连理工大学，大连116023；伟1’2，宗智1’22．工业装备结构分析国家重点实验室，大连116023)摘要：通过离散涡方法求解立管所受涡激升力，并与立管动力响应方程相耦合来对涡激振动问题进行时域内的数值模拟。通过在均匀来流和剪切来流下的模拟，所得的结论与其他文献中的结论比较吻合，

2、较好地揭示了立管涡激振动的特征。关键词：立管；涡激振动；离散涡方法；CFD中图分类号：0327。P751文献标识码：ANumericalSimulationofVortex—InducedVibrationforRisersbyDiscreteVortexMethodCHENWeil一，ZONGZhil，2(1．DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，China；2．StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndu

3、strialEquipment，Dalian16023，China)Abstract：Discretevortexmethodisusedtocalculatetheliftingforceinducedbythevor—texsheddingfromthestructure．Theresultswillcouplewiththeriserdynamicresponseequa—tiontorealizeanumericalsimulationofVIVintimedomain．Someconclu

4、sionsaregotaftersimulatingtheVlVphenomenonof“serunderuniformflowandshearflow，thentheycom—paredwithotherliteratureS，conclusionsshowagoodagreement，andtheVIVcharacteristicsofriserarerevealedbetter．Keywords：riser；Votex—lnducedVibration；discretevortexmethod

5、；CFD引言立管是海洋结构物不可或缺但又十分薄弱的子系统。在海洋洋流环境下，立管结构由于发生泄涡而产生的涡激振动会缩短结构的疲劳寿命，甚至会引起结构的破坏。涡激振动问题是流体力学中复杂的问题之一，一直困扰着学术、工程界【1J。对立管的涡激振动研究可分为实验和数值模拟等两方面研究。前者主要集中在模型试验，现场实验因花费巨大而很少进行；后者因借助于计算能力的飞速发展而多有进行。但目前全三维的数值模拟仍不可行。关于涡激振动的诸多计算方法，可见文献[2]。本文采用离散涡方法(DVM)求解N—S方程，DVM方

6、法将速度与压力表示的控制方程转变为涡量场来求解，减小了计算区域，具有不依赖于计算网格等优点，较适合高雷诺数条件下的流场计算口]。离散涡方法至今在提高精度和计算效率方面已有很大的改进，在工程领域得以广泛应用n]。立管结构尺度比很大，对其进行三维数值模拟目前还不现实。本文借助船舶水动力计算的切片思路，沿立管长度方向取若干个水动力剖面，在这些剖面上进行二维流场求解，同时与立管的动力响应方程相互耦合收稿日期：2009一08—19；修改稿收到日期：2009—10一30作者简介：陈伟(1985一)，男，硕士研究

7、生，从事船舶与海洋结构物设计与制造工作。第1期陈伟等立管涡激振动的离散涡数值模拟来实现立管结构的涡激振动模拟。1离散涡方法介绍以涡量叫和流函数咖表示的二维不可压缩非定常粘性流动的控制方程为尝=口v2c￡，(1)D￡⋯⋯△≯一一cc，(2)式中口为流体的运动粘性系数。离散涡方法将连续的涡量场离散，把离散的涡元视为粒子，在拉格朗日框架内离散求解上述控制方程。Chorin提出算子分裂法Ⅲ来处理考虑粘性时的(1)式，将其分为对流和粘性扩散2个部分：对流部分：粤一一V·v∞(3)V2驴一一(c，粘性扩散部分：

8、宴一口v2山(4)对于(3)式的求解即为不考虑粘性时涡元粒子之间的相互诱导，而(4)式的解与随机运动过程的解相同，可以采用随机走位法来求解。离散涡方法主要分为物面涡的生成、涡元的对流和扩散、涡元的消除和融合、物体受力计算等几个方面，其具体列式和步骤可参考文献[6，7]。2立管模型考虑轴向变形时立管的控制方程可写为‘8]等c口孥，一Tcy，孥一训考一，c5，EA乌学一q(6)dV。式(5)中：研是立管的弯曲刚度；丁是作用在管壁的轴向张力；硼是单位长度立管的重量(包括内部